CN112449126A

CN112449126A - 光感测器电路

Info

Publication number: CN112449126A
Application number: CN202010930020.4A
Authority: CN
Inventors: 许哲豪; 刘铭晃; 黄健富
Original assignee: Sensorteknik Technology Corp
Current assignee: Sensorteknik Technology Corp
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: US11509322B2; TWI770601B; US20210250035A1; CN112449126B; TW202111293A

Abstract

本发明公开了一种光感测器电路，其包含一光电二极管及一电压随耦器。藉由设置电压随耦器能够大幅降低光电二极管的接面电容构成的影响，故当光感测器电路应用于需要重置操作的模拟数字转换装置时，重置积分模块所需的时间将不易受光电二极管影响，而能有效保持模拟数字转换装置的效能和准确度。

Description

光感测器电路

技术领域

本发明关于一种光感测器电路，尤其是减少光电二极管的接面电容的光感测器电路。

背景技术

透过光感应技术(light sensing technology)所实现的光传感器广泛使用于许多应用之中，举例来说，环境光传感器(ambient light sensor，ALS)可应用于电子产品中以感测环境光的强度，并且自动调整显示屏幕的亮度，以提升使用便利性并延长电池使用时间。光传感器亦可用于量测空间中的距离或位置，举例来说，行动装置(mobile device)通常包含近接传感器(proximity sensor)，距离传感器可用来侦测用户的脸部与电子装置的显示屏幕之间的距离。藉此，当距离传感器靠近使用者的脸部时，电子装置即可自动地关闭显示屏幕并关闭触控功能，以避免用户的脸部于通话中误触显示屏幕而中断对话。

一般而言，光传感器需使用一模拟数字转换装置(Analog-to-digitalconverter,ADC)，以将感测光线所产生的模拟输入讯号转换为可被数字电路处理的数字讯号。模拟数字转换装置可用来计算一最高有效位与一最低有效位的累积操作，并于一可量测范围内将接收的模拟讯号线性地以数字方式来表示，例如以2的幂次(即二进制方式)表示。

模拟数字转换装置的种类繁多，且各自具有不同的运作机制、特性及功能。中国公开第CN107124184A号专利案揭露了一种具高动态操作范围与高线性度的模拟数字转换装置，请参照图1所示，其系该专利案所揭露的模拟数字转换装置2的简化架构图。该模拟数字转换装置2包含有一输入模块20、一积分模块22、一比较模块24与一计数模块26，并透过一光电二极管200感测光线并取得一模拟输入讯号，该模拟数字转换装置2将用以转换该模拟输入讯号为一数字讯号，并进行一有效位的累积操作。以下对该模拟数字转换装置2的运作进行简单说明，然而详细的操作方式该专利案已有详细记载，恕不赘述。

输入模块20包含有一切换模块202与一可充电单元204，可充电单元204将对应进行一充电操作或一放电操作，并对应输出一输入电压IN_INT至积分模块22，以让积分单元220累积该模拟输入讯号，进而输出一积分电压O_INT至比较模块24。据此，比较模块24可判断正输入端与负输入端的电压是否相同，即比较正输入端的积分电压O_INT达到负输入端的导通电压(例如电压V_FS)时，计数模块26可根据该控制讯号O_CMP来累积一有效位，同时，第一计数模块26还反馈控制讯号O_CMP以重设可充电单元204的相关操作，例如将可充电单元204由放电操作改为进行充电操作。除此之外，于模拟数字转换装置2用来进行有效位的累积操作之前，可充电单元204已先切换耦接至导通电压V_FS进行充电，且当模拟数字转换装置2进行有效位的累积操作时，可充电单元204被切换来耦接至积分模块22，据此，可充电单元204将放电以输出输入电压IN_INT，使积分模块22的积分电压O_INT逐渐达到电压V_FS。在此情况下，比较模块24将对应输出控制讯号O_CMP来控制计数模块26将有效位累积加一，同时控制讯号O_CMP还反馈至开关单元202，以切换可充电单元204再次耦接至导通电压V_FS来进行充电操作，进而完成重置输入模块20与积分模块22的相关操作。

然而这类模拟数字转换装置会遇到的问题是，光电二极管200存在一接面电容(Junction Capacitance)，当接面电容的电容值较大时，会导致积分模块22的重置操作缓慢。举例来说，请参考图2所示，在理想的情况下当积分电压O_INT达到电压V_FS后，应快速被重置为一参考电压VCOM(在图1中已简化为接地电压)。然而，受到光电二极管200的接面电容影响，积分电压O_INT的实际重置过程(如虚线所示)会变慢，导致重置积分模块22所需的时间延长而影响模拟数字转换装置的效能，甚至可能影响其准确度。

鉴于上述问题，本发明提供一种光感测器电路，其可以减少光电二极管的接面电容，以提升模拟前端电路的充放电速度，故可解决上述问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种光感测器电路，其包含一光电二极管及一电压随耦器。藉由设置电压随耦器能够大幅降低光电二极管的接面电容构成的影响，故当光感测器电路应用于需要重置操作的模拟数字转换装置时，重置积分模块所需的时间将不易受光电二极管影响，而能有效保持模拟数字转换装置的效能和准确度。

本发明关于一种光感测器电路，其包含一光电二极管，具有一阳极及一阴极；及一电压随耦器，具有一输出端及一输入端。其中该阳极耦接于该电压随耦器的输出端，该阴极与该电压随耦器的输入端则耦接于一讯号端。

附图说明

图1：其为现有模拟数字转换电路的架构图；

图2：其为现有模拟数字转换电路的讯号示意图；

图3：其为本发明的光感测器电路的架构图；

图4：其为本发明的光感测器电路的实际应用架构示意图；

图5：其为本发明的光感测器电路一实施例的电路图；

图6A：其为本发明的光感测器电路另一实施例的细部电路图；及

图6B：其为本发明的光感测器电路另一实施例的细部电路图。

【图号对照说明】

1 光感测器电路

11 光电二极管

111 阳极

112 阴极

12 电压随耦器

121 非反相输入端

122 反相输入端

123 输出端

12a、12a’ 电流源

12b、12b’ 晶体管

12c、12c’ 电阻

13 讯号端

2 模拟数字转换装置

20 输入模块

202 切换模块

204 可充电单元

22 积分模块

24 比较模块

26 计数模块

200 光电二极管

IN_INT 输入电压

O_INT 积分电压

V_FS 电压

O_CMP 控制讯号

具体实施方式

为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇指称特定的组件，然，所属本发明技术领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词称呼同一个组件，而且，本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在整体技术上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包含」为一开放式用语，故应解释成「包含但不限定于」。再者，「耦接」一词在此包含直接及间接的连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接一第二装置，则代表第一装置可直接连接第二装置，或可透过其他装置或其他连接手段间接地连接至第二装置。

请参阅图3，其为本发明的光感测器电路1的架构图。如图所示，光感测器电路1包含一光电二极管11及一电压随耦器12(Unity-Gain Buffer)。该光电二极管11的阳极(Anode)耦接于该电压随耦器12的输出端，该光电二极管11的阴极(Cathode)与该电压随耦器12的输入端则耦接于一讯号端13，使该光电二极管11感测光线所产生的一模拟输入讯号可由该讯号端13输出。

请参阅图4，其为本发明的光感测器电路1的实际应用架构示意图。如图所示，该光感测器电路1可应用于前述模拟数字转换装置2或其它具有相同需求的模拟数字转换装置，本发明并不以此为限。前述模拟数字转换装置2的电路组成已如前述，以下并不重复赘述。该光感测器电路1的讯号端13可以耦接于该模拟数字转换装置2，以该光电二极管11产生的模拟输入讯号输出至该模拟数字转换装置2。

由于该电压随耦器12可以将该讯号端13的电压直接回授至该该光电二极管11的阳极，使该光电二极管11两端不会受瞬时电压浮动的影响，亦即该光电二极管11的接面电容不会形成充放电电流。藉此，本发明的光感测器电路1可以让该光电二极管11的可视接面电容等效趋近于零，进而确保该模拟数字转换装置2的积分电压O_INT达到电压V_FS后，得以快速被重置为参考电压VCOM。简言之，请再参照图2所示，相较于习知技术受到光电二极管200的接面电容影响，积分电压O_INT的实际重置过程(如虚线所示)会变慢，本发明能够大幅降低光电二极管11的接面电容构成的影响，故积分电压O_INT的实际重置速度不会变慢(维持如实线所示)，重置积分模块22所需的时间不变而有效保持模拟数字转换装置的效能和准确度。

请参照图5所示，其为本发明的光感测器电路一实施例的电路图。该电压随耦器12可以利用一运算放大器(Operational Amplifier,OP)来实现，其中该电压随耦器12包含一非反相输入端121、一反相输入端122及一输出端123。该反相输入端122及输出端123相互耦接作为该电压随耦器12的输出端，耦接于该光电二极管11的阳极111。该非反相输入端121为该电压随耦器12的输入端，耦接于该讯号端13及该光电二极管11的阴极112。

若将前述运算放大器的开回路增益(open loop gain)表示为A(s)，且将该光电二极管11的接面电容表示为Cj，则在本发明的光感测器电路实施例中，藉由设置该运算放大器作为电压随耦器12，可以使该光电二极管11的可视接面电容等效为约Cj/[1+A(s)]。由于一般而言运算放大器的开回路增益非常大，因此本发明实施例确实能够让该光电二极管11的可视接面电容等效趋近于零。

请参照图6A所示，其为本发明的光感测器电路另一实施例的细部电路图。相较于前述采用运算放大器作为电压随耦器12的实施例，本发明也可以利用电流源12a、12a’、晶体管12b、12b’、与电阻12c、12c’组合而成的一级放大器作为电压随耦器12，以进一步简化本发明的电路复杂度和成本。其中，晶体管12b、12b’以金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)为例，故该电流源12a、12a’、晶体管12b、12b’、与电阻12c、12c’可组成一共汲极放大器，该晶体管12b、12b’的源极作为该电压随耦器12的输出端，耦接于该光电二极管11的阳极111。晶体管12b、12b’的闸极作为该电压随耦器12的输入端，耦接于该讯号端13及该光电二极管11的阴极112。该电流源12a、12a’与电阻12c、12c’则分别耦接于该晶体管12b、12b的汲极和源极以提供偏压。同理，若将前述共汲极放大器的开回路增益(open loop gain)表示为A(s)，则该光电二极管11的可视接面电容同样等效为约Cj/[1+A(s)]。

综上所述，本发明提供一种光感测器电路，其包含一光电二极管及一电压随耦器。藉由电压随耦器让该光电二极管的可视接面电容等效趋近于零，能够大幅降低光电二极管的接面电容构成的影响，故当光感测器电路应用于需要重置操作的模拟数字转换装置时，重置积分模块所需的时间将不易受光电二极管影响，而能有效保持模拟数字转换装置的效能和准确度。

上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种光感测器电路，其特征在于，其包含：

一光电二极管，具有一阳极及一阴极；及

一电压随耦器，具有一输出端及一输入端；

其中该阳极耦接于该电压随耦器的输出端，该阴极与该电压随耦器的输入端则耦接于一讯号端。

2.如权利要求1所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该光电二极管感测光线所产生的一模拟输入讯号由该讯号端输出。

3.如权利要求1所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该光感测器电路的讯号端耦接于一模拟数字转换装置，该模拟数字转换装置包含一积分模块，且该积分模块的积分电压需要重置操作。

4.如权利要求1所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该电压随耦器包含一运算放大器，该运算放大器包含一非反相输入端、一反相输入端及一输出端，该该运算放大器的反相输入端及输出端相互耦接作为该电压随耦器的输出端，耦接于该阳极，该非反相输入端作为该电压随耦器的输入端，耦接于该讯号端及该光电二极管的阴极。

5.如权利要求1所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该电压随耦器包含电流源、晶体管与电阻组合而成的一级放大器。

6.如权利要求5所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该晶体管为金属氧化物半导体场效晶体管，该电流源、晶体管与电阻组成一共汲极放大器。

7.如权利要求6所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该晶体管的源极作为该电压随耦器的输出端，耦接于该阳极，该晶体管的闸极作为该电压随耦器的输入端，耦接于该讯号端及该阴极，该电流源耦接于该晶体管的汲极，该电阻则耦接于该晶体管的源极。

8.如权利要求6所述的光感测器电路，其特征在于，其中，该晶体管的源极作为该电压随耦器的输出端，耦接于该阳极，该晶体管的闸极作为该电压随耦器的输入端，耦接于该讯号端及该阴极，该电流源耦接于该晶体管的源极，该电阻则耦接于该晶体管的汲极。